单组分、双组分和三组分混合纤维增强复合材料在低速冲击下的响应与损伤行为的实验研究 Md. Mominur Rahman Al Emran Ismail Muhammad Faiz Ramli Azrin Hani Abdul Rashid Tabrej Khan Omar Shabbir Ahmed Tamer A. Sebaey

《Journal of Composites Science》：Experimental Investigation of Low-Velocity Impact Response and Damage Behavior in Mono, Bi- and Tri-Hybrid Fiber-Reinforced Composites Md. Mominur Rahman, Al Emran Ismail, Muhammad Faiz Ramli, Azrin Hani Abdul Rashid, Tabrej Khan, Omar Shabbir Ahmed and Tamer A. Sebaey

　　摘要：由于需要制造具有更好机械性能的轻质材料，纤维增强复合材料（FRCs）在航空航天和汽车工业中得到了广泛应用。FRCs的机械行为具有异质性，尤其是在低速撞击（LVI）条件下。撞击事件会导致结构损伤，而现有文献大多关注的是受控条件下的单层或双层复合材料。本研究将展示使用碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉纤维增强的环氧树脂制成的单层、双层及三层混合材料在撞击下的性能。测试涵盖了速度范围为1.91至3.91米/秒、坠落高度为19至79厘米的情况，探讨了不同层压结构的排列方式、层数及厚度对撞击性能的影响。主要分析了LVI过程中的关键参数，如峰值载荷、能量吸收及损伤模式。以玻璃纤维为主的材料在5.67千牛顿时达到载荷峰值，而以凯夫拉纤维为主的材料则表现为韧性较大的塑性破坏，并吸收了更多的能量。在强度和能量吸收方面表现最佳的为凯夫拉-玻璃（KG）交叉层压板（8.08千牛顿、47.28焦耳）和准各向同性凯夫拉-碳-玻璃（KCG）层压板（9.12千牛顿、47.25焦耳），展现了强度与韧性的平衡。其他含凯夫拉纤维的材料虽然厚度和层结构各异，但整体性能也表现出较好的抗冲击性。实验结果表明，混合材料的抗冲击性和韧性得到了提升，尤其是以玻璃/碳纤维为主层压板的材料。这一发现为未来复合材料的设计提供了方向，有助于实现更好的抗冲击性能。

1. 引言
由于纤维增强复合材料（FRCs）具有较高的比强度和刚度，在航空航天和汽车工业中得到了广泛应用，以满足提高车辆燃油效率和环保性能的需求。尽管由于FRCs复杂的结构和异质性，其设计的可靠性仍存在争议，但它们的优势是显而易见的[1]。FRCs属于非各向同性材料，其机械响应受多种因素影响，包括纤维类型（玻璃、碳或凯夫拉）、纤维体积、层叠顺序以及层压板的层数和厚度[2]。在动态载荷条件下，这种复杂性尤为突出，尤其是在低速撞击（LVI）情况下，这种损伤往往难以察觉且常被忽视[3]。撞击过程中的快速能量传递和复杂损伤与弹丸的几何形状和速度以及层压结构密切相关。文献中广泛记录的撞击现象、峰值载荷和能量吸收情况取决于材料成分（包括纤维-基体树脂及其层叠方式[4]。例如，含有PSTF的复合材料与含有TSTF的复合材料在能量吸收方面存在差异：3D玻璃纤维织物通常能降低峰值载荷，因为更大的变形和韧性导致峰值载荷降低[5,6]。不同材料在低速撞击下的表现差异显著：玻璃/环氧复合材料承受较高峰值载荷但位移较小；韧性更强的生物纤维复合材料（如肯纳夫/环氧）既能承受较大载荷又能吸收更多能量；非混合碳/环氧层压板峰值载荷最高，而芳纶/环氧层压板的峰值载荷最低[7]。测试精度很高，峰值载荷-位移分析的误差通常小于5%；大麻/聚酯复合材料中纤维体积占比超过10%时，其载荷能力可提高一倍以上[7]。环境和基体条件也会影响FRCs的性能：例如， abaca/环氧复合材料的抗冲击性优于abaca/橡胶混合材料，尽管后者吸收的能量更多[8]。具有较高断裂应变的双层混合材料其能量吸收能力较低[8]。FRCs在低速撞击下的能量吸收特性体现了多种材料特性、损伤模式及失效机制，不同材料吸收能量和受损方式各不相同[9]。例如，多数混合材料的能量吸收能力优于单一增强材料，显示出不同纤维配比的协同效应[10]。然而，亚麻基复合材料吸收的能量较多但损伤程度较低[11]。所使用的材料种类繁多，进一步丰富了材料的性能范围。研究表明，碳纤维/聚醚醚酮（CF/PEEK）和碳纤维/环氧复合材料在低速撞击性能上更具优势[12]。基体材料的差异对能量耗散有显著影响，凯夫拉复合材料尤其如此[13]。在G/G/G和K/G/K复合材料中，K/K/K复合材料的能量吸收潜力最强[13]。这种复合纤维组合和排列方式的影响不容忽视，层叠顺序也会影响性能[14]。复合材料对能量的吸收能力对其保护结构免受冲击至关重要，该能力由载荷-位移曲线下的面积表示[15]，并受施加的平均载荷、比能量吸收率和体积能量吸收量的影响[16]。例如，basalt 100B复合材料的最大载荷最高，而nylon 100N最低[16]。混合材料具有更高的能量吸收能力，FCFCF和CFFFC亚麻-碳纤维复合材料的性能分别比非混合材料提高了13.25%和28.89%[17]。与所有同类型2D层压板相比，3D层压纤维取向的复合材料在能量吸收方面更优[18]。层内纤维排列方式对能量分散和吸收至关重要[19,20]。然而，纳米粘土或纳米纤维的添加会降低能量吸收能力[4,5]。加工和排列方式同样重要，纤维体积占比能显著提升总能量吸收[21]。层压顺序也会影响复合材料的动态响应[22]。层压板中的空洞结构有助于能量吸收[23]。基体类型也会影响能量损失，亚麻和MAPP基复合材料具有更高的抗穿刺性能[24]。力与位移是评估复合材料机械性能的关键参数[25]。虽然具有保护层的CFRPs中撞击能量与最大位移通常呈线性关系，但不同材料和结构的峰值载荷、时间和位移关系存在差异[26]。混合结构的最大位移和能量吸收随着撞击能量的增加而增加，但并非所有混合结构均如此（例如CCCG层压板表现出不同行为[26]）。撞击位置也很重要，受冲击区域通常比均匀受力区域变形更严重[27]。CNTs的加入提高了复合材料的峰值载荷[28]。多层纤维组合和排列方式会影响能量吸收，纤维配置对能量分散和吸收至关重要[29]。研究表明，有效的层压设计能有效提升复合材料的抗冲击性能[30]。尽管不同材料在能量吸收和损伤机理上存在差异，但它们在能量吸收方面具有协同效应[31]。基体材料的差异对能量散发有显著影响[32]。复合材料的设计和所用材料对其损伤的类型、程度和位置有着重要的影响。例如，没有缺陷的3D编织复合材料表现出比有缺陷的复合材料更高的损伤体积[39]。混合结构中使用的织物类型对损伤模式有明显的影响，按损伤模式平均面积从大到小排序，首先是芳纶织物。不需要多说，有很多参数都很重要，包括纤维角度、缝合方式以及层压顺序[4,40,41]。其他因素也很重要，比如材料组成。与亚麻表皮复合材料相比，由于碳纤维的存在，HFRP复合材料显示出更大的内部损伤和较低的压缩强度[42]。同样，所用树脂的类型也会影响损伤特性，有研究表明，在冲击作用下环氧树脂的损伤容忍度优于双马来酰亚胺树脂[30]。冲击参数，如能量水平，进一步增加了复杂性。虽然随着能量的增加，损伤面积和体积也在增加，但某些材料在特定的能量水平下表现出峰值抗性[6,36]。尽管有很多关于冲击特性及其引起的损伤的研究，但由于主要依赖于单纤维或双纤维增强复合材料的模拟研究，仍然缺乏足够的实验证据。本研究是对先前三重复合材料研究的扩展，因为它在一个统一的框架内评估了单组分（100%）、双组分（50–50%）和三组分（50–25–25%）的复合材料的性能。与以往仅包含有限配置的研究不同，该数据集包括两种层压顺序（交叉层压和准各向同性层压）以及三种层数（4层、8层和12层），并在1.91 m/s至3.91 m/s的低速度冲击和19 cm至79 cm的冲击能量范围内进行了测试。因此，这项工作旨在通过实验不同类型的纤维增强复合材料，全面了解其在低速度冲击下的性能及其所引起的损伤情况，从而直接比较混合化、纤维取向和厚度的影响。此外，载荷-时间和载荷-变形响应的结合，加上基于显微镜的损伤分析，提供了对损伤后机制的更深层次的理解。因此，通过这个数据集，我们可以更全面和交叉地理解混合复合材料的性能。

2. 材料与方法
2.1. 复合材料制备
本研究使用了三种编织增强织物：碳纤维、凯夫拉尔纤维和玻璃纤维，包括斜纹和平纹两种编织结构。表1列出了这些织物的规格，图1对其进行了直观展示。复合层压板采用未混合的热固性环氧树脂体系与固化剂以1:2的重量比例制成。采用了规范的湿法铺层技术，其中树脂溶液的重量等于每层增强织物的重量。为了达到充分饱和和减少加工损失，准备了15–20%的树脂溶液。构建了一个复杂的实验矩阵，其中包含三个不同的组，每个组包含了九种不同的复合材料。每种材料制备了六个样品。其中三个为交叉层压，取向为[0°/90°/90°/0°]，另外三个为准各向同性层压，取向为[45°/0°/?45°/90°]，每种取向分别有4层、8层和12层。组件的配置在旁边进行了说明。这种分组技术在表2中进行了总结。值得注意的是，选择材料和实验参数是为了系统地研究混合化、纤维取向以及层压板厚度对低速度冲击性能的影响。使用了单组分（100%）、双组分（50–50%）和三组分（50–25–25%）的纤维体积分数来研究不同纤维类型的相互作用。考虑了两种层压顺序：交叉层压（0/90/90/0）和准各向同性层压（45/0/?45/90），以代表正交各向异性和多方向机械响应。制备了4层、8层和12层的层压板，以测试厚度依赖性的冲击抵抗力和能量吸收性能。

表1. 碳纤维、凯夫拉尔纤维和玻璃纤维的技术细节。
图1. (a) 碳纤维，(b) 凯夫拉尔纤维，(c) 玻璃纤维。
表2. 制备的层压板的编码详情。
组1：单组分，由100%的碳纤维（C）、凯夫拉尔纤维（K）和玻璃纤维（G）组成。
组2：双组分混合体，由50–50%的碳-凯夫拉尔（CK）、碳-玻璃（CG）和凯夫拉尔-玻璃（KG）组成。
组3：三组分混合体，由50–25–25%的碳-玻璃-凯夫拉尔（C2GK）、凯夫拉尔-碳-玻璃（KCG）和玻璃-碳-凯夫拉尔（GCK）组成。
总共制造了9种类型的矩形复合板材，每种类型6个样品（交叉层压3个，准各向同性层压3个，层数分别为4层、8层和12层）。第一个组是纯单组分，由100%的碳纤维（C）、凯夫拉尔纤维（K）和玻璃纤维（G）组成；第二个组是双组分混合体，由50–50%的碳-凯夫拉尔（CK）、碳-玻璃（CG）和凯夫拉尔-玻璃（KG）组成；最后一个组是三组分混合体，由50–25–25%的碳-玻璃-凯夫拉尔（CGK）、凯夫拉尔-碳-玻璃（KCG）和玻璃-碳-凯夫拉尔（GCK）组成。制备过程包括两种不同的铺层方向：交叉层压[0°/90°/90°/0°]和准各向同性层压[45°/0°/?45°/90°]。例如，完整的组件详情见表2。在层压板的正面和背面铺层时，优先选择了凯夫拉尔纤维层，因为它具有更好的抗损伤能力和能量吸收性能，其次是碳纤维，最后是玻璃纤维。制造过程中使用了手动湿法铺层技术，并结合了真空袋包装。此外，图2展示了一些制造过程的图片。增强织物被切割成325毫米×325毫米的尺寸，注意保持0°、90°、45°和?45°的指定角度。层按指定的顺序堆叠，每层都涂上了树脂以确保浸渍。堆叠完成后，添加了排气布和透气布以吸收多余的树脂并帮助排出空气。然后将组件密封在真空袋中，并连接真空泵。施加真空并保持4–6小时，使用真空计确认没有泄漏。铺层过程包括在真空袋中依次排列切割好的织物，然后涂抹环氧树脂-固化剂溶液，特别注意22分钟的有效期。层压板在室温下固化24小时后脱模。

2.2. 低速度冲击测试
复合样品的测试按照表3中的详细要求进行。测试严格遵循ASTM D7136标准程序。使用落锤冲击塔（Instron，Norwood, MA, USA）来表征低速度冲击响应。表中列出了关键的测试配置。原始数据和处理后的数据输出详细列举了重要的低速度冲击特性。值得注意的是，在冲击测试中使用了多种落锤高度，这些高度对应于不同的冲击速度，以便捕捉材料在各种能量水平下的行为。此外，图3a和图3b–d分别展示了低速度冲击的测试设置和样品图像。冲击测试是在标准化方法（ASTM D7136）规定的范围内进行的，使用的落锤高度为19–79厘米，对应的冲击速度为1.91–3.91米/秒。检查了多个响应参数，如峰值力、吸收能量、位移和损伤程度，以进行全面的中国冲击性能分析。

2.3. 材料表征
首先通过目视检查，随后使用材料表征实验室的光学显微镜（放大倍率为7倍、10倍、15倍和20倍）对落锤冲击测试样品的主要失效类型（如分层、基体开裂、纤维断裂、穿孔和纤维屈曲）进行了调查和验证。所用光学显微镜为OLYMPUS品牌（型号：SZH10），来自日本东京的OLYMPUS光学有限公司。从光学图像中系统地选择了三个区域进行观察：冲击中心、靠近冲击的区域和外部损伤区。所有样品都沿冲击轴切割，以确保损伤的厚度方向可视化一致。损伤分类基于一定的标准，如基体开裂、穿孔、纤维屈曲、分层和纤维断裂等光学显微镜下的特征。在所有情况下，观察了相同制备的样品和固定的放大倍数，以保持一致性。这种方法减少了主观性，并允许直接比较单组分、双组分和三组分复合材料的损伤模式。

3. 结果与讨论
3.1. 载荷与时间和变形
复合层压板的低速度冲击（LVI）性能是一个复杂的过程，涉及到复合层压板的宏观机械响应和控制损伤模式的微观失效机制。分析载荷-时间/变形行为以及相应的失效模式，可以全面了解其损伤容忍度和能量吸收能力。图5显示了四种、八层和十二层层压板在载荷与时间和载荷与变形方面的性能，显示出不同的行为模式，这些模式直接与纤维组成相关。以碳纤维为主的层压板始终表现为峰值载荷急剧增加，随后载荷-时间曲线和载荷-变形曲线显著下降。这种脆性失效的特点是塑性变形很小，因此能量吸收也很少，如图5a,b中的四层碳纤维样品所示，能量吸收值从6.01吉焦到7.14吉焦不等。从显微上看，这是由于穿孔和灾难性的纤维断裂造成的，属于低能量失效模式，表4中的数据证实了这一点，其中穿孔的平均能量吸收最低，仅为21.74吉焦。

相比之下，基于凯夫拉尔纤维的层压板表现出延展性响应，能够承受更长时间的载荷和更大的变形。这表现为宽阔的载荷-时间曲线和失效时的显著变形，例如K2-4层的变形达到19.3毫米，能量消耗更好，如图5c,d中的K1-8层为38.33吉焦，K1-12层为46.8吉焦。这种宏观行为与促进能量积累的失效机制密切相关。根据图6和表4，凯夫拉尔纤维主导的复合材料倾向于发生纤维屈曲和断裂，这是与最高平均峰值载荷和能量吸收（分别为36.80吉焦和37.66吉焦）相关的失效模式。凯夫拉尔纤维的延展性允许纤维高度拉伸、纤维化和拔出，从而导致持久的后峰值损伤阶段，有效消耗能量，如图中性能最好的材料KG和K所示的最大载荷-失效间隔所证明的。玻璃纤维层压板在所有厚度下都达到了高峰值载荷，G1-4层的载荷为3.63千牛，G2-12层的载荷为12.04千牛，表明其具有高刚性。然而，它们的后峰值响应通常伴随着突然下降，这表明了脆性断裂的趋势。这与图6中观察到的基体开裂高发情况一致。基体虽然是一种非常有效的能量耗散器（如表4所示），但在玻璃主导的体系中可以迅速传播，导致灾难性 failure。图6显示了不同材料组成下的主要失效类型。通过不同纤维特性的混合化调整冲击响应，有助于我们理解三组分混合复合材料GCK1-4（50%玻璃、25%碳纤维和25%凯夫拉纤维）的冲击响应。GCK1-4表现出2.57 kN的峰值载荷、17.36 J的极高能量吸收以及12.17 ms的失效时间。这得益于凯夫拉纤维的延展性与碳纤维和玻璃纤维的脆性的平衡，从而形成了复杂的、多机制的失效序列，包括基体开裂、纤维失效和分层。这支持了混合化能够提高最大位移和冲击能量的趋势。三组分凯夫拉-碳-玻璃混合材料KCG2-12的协同性能效应表明，其峰值载荷达到了9.12 kN，能量吸收几乎达到了47.25 J。这种性能得益于凯夫拉纤维的延展性增强了渐进损伤，以及碳纤维和玻璃纤维的刚度和强度。机械响应与失效分析的相关性表明，整体能量吸收取决于峰值后的损伤演变，而不是总的失效时间。负载-时间和负载-变形曲线的分析显示，尽管某些样品的失效时间较长，但这并不一定反映在高能量吸收上，因此它们的相关性较弱。这是因为低速冲击中的能量耗散取决于峰值后触发的损伤机制类型。当峰值后区域以基体开裂和轻微分层为主时，载荷可能会长期衰减，但这些过程的能量相对较低，对整体能量吸收贡献不大。相反，经历渐进性纤维损伤（例如纤维断裂和屈曲）的样品在较高位移下仍能保持载荷承载能力，从而实现更大的能量吸收，这一点从曲线的较高斜率中可以体现出来。由于存在横向拉应力和层间剪切应力、纤维-基体不匹配以及局部接触应力，基体开裂在早期就开始了，主要作为更严重损伤的前兆，而不是主要的能量吸收机制。因此，峰值后损伤的性质和进展，而非失效持续时间，决定了单组分、双组分和三组分复合材料层的冲击性能。这一点可以从高能量吸收材料（如KG和K）从峰值载荷到失效的较长时间来看出来，在此期间这些渐进性机制在起作用。相反，主要通过穿孔失效的样品（如GCK）的峰值后阶段非常短，吸收的能量最少，尽管其总失效时间可能相当。分析证实，增加层数可以提高峰值力和最大位移，增强的程度取决于层压板的厚度[25]。这种厚度效应在图5a-f中的逐渐增加的峰值载荷中可以看出，并得到了图7中冲击后分析的支持，该分析验证了损伤面积和体积随冲击能量的增加而增加[6,36]，其中主要的失效形式是基体开裂（17次），通常由纤维断裂[4]先于分层（13次）和穿孔（12次）发生，尽管不同研究也指出了分层[35]，表明界面失效和完全穿透是常见的后续或竞争性失效路径。相比之下，以纤维为主的失效（如纤维断裂和纤维屈曲）较为少见，这表明纤维结构常常抑制了纤维的完全断裂。图7展示了受冲击的正面和背面图像以及微观视图。3.2 材料组成对平均峰值载荷和总能量的影响四层、八层和十二层复合材料的低速冲击性能在不同材料成分中显示出一致的趋势，如图8a,b所示。在这里，以玻璃纤维为主的复合材料始终达到最高的峰值载荷（例如G2-12：12.04 kN；G1-8：8.21 kN），这归因于玻璃纤维的高刚度和强度，它们提供了优异的初始抗穿透能力。然而，这通常以脆性失效为代价，导致能量吸收低于预期（例如G2-12：41.78 J），因为塑性变形有限且断裂传播迅速。相反，以凯夫拉纤维为主的复合材料表现出较低的峰值载荷（例如K1-12：7.84 kN），但在所有厚度下都能最大化能量吸收（例如K1-8：38.33 J；K1-12：46.80 J）[13]。这种优异的性能得益于凯夫拉纤维的显著延展性，它引发了纤维颤动并导致分层和大的变形，从而在更大的体积内耗散冲击能量。凯夫拉纤维保持了高能量吸收性能，而碳纤维复合材料的性能较差，其峰值载荷和能量值低于其他测试材料（例如C2-4：0.91 kN；7.14 J），因为它们极其脆且耐损伤能力差。图8显示了材料组成对平均（a）峰值载荷和（b）总能量的影响。先进的混合复合材料同时具备了强度和能量吸收能力。碳-凯夫拉混合材料（CK系列）在能量吸收方面有显著提升（例如CK2-12：43.01 J；C2-12：26.63 J），这与纯碳纤维相比（[13]），这归功于凯夫拉纤维面层的加入，它们提高了抗冲击性并降低了刚度[43]。凯夫拉-玻璃（KG）混合材料在高峰值载荷和能量耗散之间达到了良好的平衡（KG1-12：8.08 kN；47.28 J）。以凯夫拉纤维为主的三组分混合材料KCG系列表现最佳，其中KCG2-12记录了9.12 kN的峰值载荷和47.25 J的能量吸收[13]，这得益于凯夫拉纤维的延展性与碳纤维和玻璃纤维的强度相结合。GCK层压板（如GCK2-12（9.90 kN）也获得了刚度的提升，但缺乏能量吸收能力（31.77–36.40 J），这与其他结果一致，这些结果显示S2-玻璃背面试岁了冲击响应[2]。尽管三组分系统表现出更大的变形和延迟的失效，但更高的脆性限制了塑性能量耗散的速率[44]。3.3 纤维取向对平均峰值载荷和总能量的影响纤维取向，特别是层积方向和准各向同性的选择，对复合材料的冲击性能有重要影响[22,45]，如图9a,b所示，通过不同的损伤起始和传播机制来调节平均峰值载荷和平均总能量吸收。层积方向为[0/90]的层压板通常具有更好的峰值载荷，因为层内的纤维在主要方向上提供了最大的抗冲击性。例如，在纯玻璃复合材料中，层积方向的G1-12峰值载荷为9.03 kN，而准各向同性的G2-12为12.04 kN，尽管这是一个例外，因为在某些载荷情况下准各向同性取向有时会导致更好的纤维对齐。同时，如图9b所示，准各向同性层压板通常具有更好的总能量吸收，因为多方向的纤维取向有利于更分散的损伤，包括复杂的分层模式和更宽的能量耗散。这在基于凯夫拉纤维的复合材料中尤为明显，例如准各向同性K2-12的损伤能量为45.54 J，而层积方向的Kevlar CS（K1-2）为46.80 J；同样，在Kevlar（KCG2-12，准各向同性）与Kevlar CS（KCG1-2）的混合材料中也是如此，分别为47.25 J和43.96 J，如Kevlar-玄武岩混合材料[14]的情况。根据图表中的数据，对于像凯夫拉及其混合材料这样的延展性体系，准各向同性材料通常具有更高的能量吸收，因为其取向允许更渐进的损伤。然而，像碳纤维这样的脆性材料由于其准各向同性特性，无论纤维取向如何，其失效仍然局部分布[8]。GCK系列再次证明了这种交互作用的微妙性：GCK1-4（层积方向）的能量（17.36 J）高于GCK2-4（准各向同性，21.02 J）在四层时，但在十二层时情况相反，GCK2-12（准各向同性）为36.40 J，而GCK1-12（层积方向）为31.77 J，这表明准各向同性有助于在较厚部分更好地分布损伤。图9显示了纤维取向对平均（a）峰值载荷和（b）总能量的影响。3.4 层数对平均峰值载荷和总能量的影响层压板的层数决定了其厚度，并直接影响其刚度、失效模式和能量耗散，从而改变其冲击响应[46]。如图10a,b所示，增加四层（从4层到12层）提高了所有系统的峰值载荷。例如，碳纤维系统的载荷从0.82 kN增加到3.55 kN；玻璃纤维系统的载荷从3.43 kN增加到10.54 kN；凯夫拉纤维系统的载荷从1.60 kN增加到7.70 kN。同时，能量吸收也显著增加，对于凯夫拉纤维系统，能量从13.13 J增加到46.17 J，这得益于分层和纤维拉伸的增加。凯夫拉-玻璃（KG）和KCG混合材料也表现出能量和载荷的平衡。KCG2-12混合材料的能量吸收达到了47.25 J[23]。GCK层压板GCK2-12的峰值载荷为9.90 kN，但由于脆性失效，其能量吸收最少。可以概括地说，增加层数对混合材料有益，因为它提高了整个系统的峰值载荷和能量吸收[29]。图10显示了层数对平均（a）峰值载荷和（b）总能量的影响。4. 结论本论文的研究集中在纤维增强环氧复合材料的损伤行为和低速冲击（LVI）性能上。通过系统的测试程序得出了某些结论。例如，冲击响应主要由所使用的纤维类型决定。在层积方向的玻璃层压板中，玻璃纤维产生了最大的峰值载荷（3.24 kN）和能量吸收（21.69 J），尽管表现出脆性失效。在较厚的层压板中也观察到了同样的趋势，特别是以玻璃纤维为主的碳-凯夫拉三组分复合材料，其峰值载荷为5.67 kN，能量吸收为39.70 J。相比之下，以凯夫拉纤维为主的复合材料由于延性失效实现了最大的能量吸收，凯夫拉-玻璃双组分复合材料的峰值载荷为8.08 kN，能量吸收为47.28 J，接近以凯夫拉纤维为主的碳-玻璃三组分复合材料。此外，确定层压板的冲击响应、冲击能量吸收和冲击过程中的峰值载荷至关重要，这取决于层压板的层数和物理厚度。增加层压板的厚度或层数可以提高冲击峰值能量吸收和能量吸收。总体而言，层积方向的层压板提供了更高的总能量吸收和更强的冲击峰值能量吸收，优于准各向同性层压板。这项研究为设计抗冲击复合材料提供了基础。这些研究数据提供了关于纤维组成、混合化方法、层压角度和层压板厚度作为复合体集合的急需的实验数据，决定了低速冲击响应。这些材料可以广泛应用于航空航天、汽车和国防行业，在这些领域，能量吸收和耐损伤性至关重要。